“超級大腦”提速

陳冰

上海超級計算中心今年將從每秒400萬億次的計算能力提速至每秒2500萬億次，2020年將力爭“E”級機（每秒可計算百億億次的超級計算機，為“神威太湖之光”的10倍）落戶上海，為科創(chuàng)中心建設提供高性能數(shù)據(jù)支撐。

上海科技創(chuàng)新的“超級大腦”——上海超級計算中心到今年已經(jīng)跨過了17個年頭。作為全國首家面向社會開放、資源共享的第三方公共服務平臺，上海超級計算中心為來自各領域的基礎科學研究、工業(yè)創(chuàng)新、城市智慧管理等提供高性能計算服務，是國內(nèi)運營時間最長、經(jīng)驗最豐富、用戶最多、應用最廣的超級計算中心。

在上海超算中心一樓機房外的屏幕上可以看到，紅、綠兩色的比重各占一半，紅色表示排隊，綠色表示運行?！坝肋h都有用戶在排隊，這是超算中心的常態(tài)?！鄙虾３売嬎阒行闹魅沃荜孛裾f。

2000年12月，上海超算中心作為上海市一號工程成立，在之后的8年時間里，這里是全國唯一一家超算中心；2009年6月，上海超算中心上線不久的主機“魔方”榮登全球最快計算機排行榜Top500的第十名，那時的運算速度是200萬億次/秒。

去年6月，德國法蘭克福國際超算大會（ISC）公布了新一期全球超級計算機Top500榜單，由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的“神威太湖之光”以超第二名近3倍的運算速度奪得第一，其運算峰值性能達到每秒12.5億億次，持續(xù)性能達到每秒9.3億億次，是全球第一臺運行速度超過每秒10億億次的超級計算機。

說得通俗一點，“神威太湖之光”一分鐘的計算能力相當于全球72億人同時用計算器不間斷計算32年。如果用2016年生產(chǎn)的主流筆記本電腦或個人臺式機作參照，“神威太湖之光”相當于200多萬臺普通電腦。

相比之下，上海超級計算中心的計算資源已經(jīng)遠遠跟不上目前的需求。雖然在一段時間內(nèi)，上海超算中心用出色的運維能力彌補了計算能力的不足，但作為上海張江綜合性國家科學中心的計算能力提供方和數(shù)據(jù)支持方，運算能力的不足依然是上海超算中心的“短板”。

好消息是，上海超級計算中心今年將從每秒400萬億次的計算能力提速至每秒2500萬億次，2020年將力爭“E”級機（每秒可計算百億億次的超級計算機，為“神威太湖之光”的10倍）落戶上海，為科創(chuàng)中心建設提供高性能數(shù)據(jù)支撐。

“超級大腦”新任務

理論推導、實驗測試、計算模擬是當今科技創(chuàng)新的三大主要手段。超級計算機作為計算模擬的主要工具，是不可或缺的科研基礎設施，也是國家科技創(chuàng)新體系的重要組成部分，已成為世界各國特別是發(fā)達國家競相爭奪的戰(zhàn)略制高點。

30年前，中國的超級計算機用戶有一個神秘的“玻璃房”：美國人把一臺超級計算機賣給中國，用不透明的玻璃包裹得嚴嚴實實，中國技術(shù)人員沒有授權(quán)不得入內(nèi)。全國只有幾個有授權(quán)的科學家能夠進入玻璃房，而且是在美國人的監(jiān)視下，一旦程序運行完，機器立即被鎖回玻璃房。那個所謂的超算速度，在今天看來充其量只是一臺高性能電腦，但對于當時的中國來說，卻是一個難以企及的高峰。

上世紀80年代，我國已逐步邁入獨立設計和制造巨型機的國家之列，但卻因核心處理器等關鍵部件與技術(shù)的短板只能受制于人，直接導致了我國雖是國外超級計算機“大買家”，卻無法擁有匹配的“議價權(quán)”。

步入“十二五”，在國家863項目重點支持下，我國超級計算發(fā)展不斷取得突破。“天河二號”問鼎“六連冠”的同時，在全球超級計算機500強榜單上，中國制造的名單正越來越長，這引起了美國的警惕。2015年4月，美國政府宣布，把與超級計算機相關的4家中國機構(gòu)列入限制出口名單，目的就在于通過限售，鎖死中國超算快速發(fā)展的腳步。封鎖反而帶來了激勵，讓我國下大力氣研發(fā)全國產(chǎn)化的“神威”系列超級計算機，直至2016年再次登頂國際榜單。

事實上，正是基于超級計算機的戰(zhàn)略性地位和集約化建設的考慮，2000年上海市政府就高瞻遠矚決策成立建設了上海超級計算中心，并取得了重大成效。

成立十余年來，上海超級計算中心的高性能計算服務立足上海，輻射華東，面向全國，用戶遍及全國33個省市自治區(qū)，建立起了符合行業(yè)特點并廣受用戶好評的運維和服務體系，支撐了一大批國家和地方政府的重大科學研究、重大工程和企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)，促進了國家重大裝備、關鍵設備、能源安全、核心技術(shù)等一系列工程問題的解決，在航空、航天、汽車、船舶、鋼鐵、微電子、核電工程、裝備制造、土木工程、環(huán)境氣候、藥物設計、生命科學、新材料、新能源、天文、物理、化學等數(shù)十個重大工程和基礎科學領域催生了一批重大成果，充分發(fā)揮了公共服務平臺的支撐作用，產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟效益。

2016年，上海提出建設上海張江綜合性國家科學中心。通過國家科學中心建設，上海將打造全球領先的大型科學研究基礎設施，提升科學研究基礎設施的共享與效益，完善科學研究創(chuàng)新體系與生態(tài)環(huán)境，集聚科學研究人才，產(chǎn)生重大科學發(fā)現(xiàn)。

上海超級計算中心作為基礎設施的組成部分是支撐科技創(chuàng)新的“超級大腦”，自然又有了更新的發(fā)展方向與功能定位——建設世界一流的高性能計算、科創(chuàng)云和科研大數(shù)據(jù)三大服務平臺，以及應用研發(fā)與產(chǎn)業(yè)孵化基地。

未來上海的高性能計算體系（包括上海超級計算中心）將作為國家科學中心大體系的重要組成，既要支撐國家科學中心體系內(nèi)大科學裝置的研制和應用、基礎科學研究的高性能計算需求，又要滿足工業(yè)創(chuàng)新等其他社會各類用戶的高性能計算需求，支撐“原始創(chuàng)新”和“從頭設計”。

同時，中心還將重點支持健康大數(shù)據(jù)、氣象大數(shù)據(jù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)等領域的研究和應用；重點支持上海光源、蛋白質(zhì)設施等大科學裝置的數(shù)據(jù)存儲、分析和應用。運用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，促進重大科學發(fā)現(xiàn)和工程創(chuàng)新，帶動高端科研人員的高度匯集和全球協(xié)同。

“超級大腦”的“應用戰(zhàn)”

全球超算，唯快不破。致力超算研究的意義不僅僅是“速度戰(zhàn)”，更重要的是贏得“應用戰(zhàn)”。

上海超級計算中心成立十幾年來，組建起了一支經(jīng)驗豐富的運維隊伍，儲備了眾多交叉學科人才，為上海工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、重大基礎工程建設、精確天氣預報、防污染擴散、海洋潮汐預報、汛期減災防災等做出了重大貢獻。

在上海超級計算中心大樓的一樓主機房區(qū)，可以近距離地看到工作中的超級計算機，通道兩邊的液晶顯示器更是實時顯示超級計算機的工作狀態(tài)和應用成果。在記者的探訪中，首先映入眼簾的顯示數(shù)據(jù)就是大家最關心的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

上海超級計算中心系統(tǒng)運維部部長魏玉琪指出，上海超算的高性能計算和存儲資源不僅支撐著上海環(huán)境監(jiān)測中心的長三角區(qū)域預報系統(tǒng)建設，更是在2016年9月G20峰會期間，全力支持和保障環(huán)境監(jiān)測中心對G20區(qū)域空氣質(zhì)量的預報工作?！叭粘Ｇ闆r下，中心每日為環(huán)境監(jiān)測中心提供840核（35個計算節(jié)點），專用的存儲資源32TB。而在G20峰會保障期間每日提供1200計算核（50個計算節(jié)點）。2016年下半年期間環(huán)境監(jiān)測中心合計使用了計算資源124萬核小時。”

魏玉琪還指出，通過對天氣大數(shù)據(jù)的不斷收集和分析，天氣預報的模型將越來越精準，系統(tǒng)綜合判斷同樣環(huán)境條件下，歷史上出現(xiàn)的陰晴雨雪的情形，從而推斷出當下以及未來的天氣走勢?！笆忻裎幢刂捞鞖忸A報員都是怎么算的，但最直觀的感受就是天氣預報越來越準了。”

上海超級計算中心研究發(fā)展部部長、首席計算科學工程師王濤博士告訴記者，無論速度有多快，發(fā)展超算始終是為了“致用”，而這仍然是當前我國超算發(fā)展的短板。

“許多超級計算中心擁有了世界級的計算能力，但是在如何應用上卻‘跑得并不順暢。我們的一些客戶因為需要排隊等待資源而選擇了其他超算中心，但是轉(zhuǎn)了一圈以后又回到了上海超算中心。因為上海超算能夠幫助他們提供相應的解決方案，而不僅僅是跑數(shù)據(jù)。超算中心的技術(shù)人員不僅要懂編程，更要懂相應的物理、化學、天文知識，只有這樣，才能幫助客戶設計合理的算法、模型，得到更加專業(yè)的結(jié)果。”

王濤舉了一個簡單的例子。通過應用流體力學的原理，在超級計算機上模擬飛機在空氣中的狀態(tài)，改進飛機的性能。原來高成本的飛機要做多次風洞試驗，通過計算機模擬風洞試驗，就達到同樣的效果。ARJ21支線飛機和研制中的大飛機，許多前期設計工作都是在上海超級計算中心完成的。

“現(xiàn)在新車型研制必須經(jīng)過安全性能測試。如果每個車型全部使用真車進行安全性能測試，大約需要損耗100多輛新車，如今使用超級計算機模擬汽車碰撞，只需要原來的十分之一真車測試，其余測試工作都可以在超級計算機上完成。因此在汽車研發(fā)領域，不少車企都會借力上海超算?！?/p>

王濤說，為研發(fā)符合2018年五星標準的汽車，上海世科嘉車輛技術(shù)研發(fā)有限公司就長期運用超算中心的資源為他們研發(fā)新車?！巴ǔＲ粋€汽車側(cè)面相撞的真車實驗至少要花費至少十幾萬元，但是利用超級計算機的運算，可以將兩車全身布滿無數(shù)個方格，利用物理受力原理，準確模擬出兩車相撞可能導致的車輛損毀狀況，幫助車企優(yōu)化新車設計方案，而這樣的運算成本可能只要數(shù)千元而已?！?/p>

在上海光源、上海崇明越江隧道、上海外環(huán)線隧道、上海復興路雙層隧道、上海青草沙水源市政工程等重大基礎設施工程建設中，上海超算也發(fā)揮了重大作用?！吧虾９庠磳拐鹩刑貏e嚴格的要求。當初一共有三種施工方案來解決地下工程的防震問題。上海超算通過精密計算，最終找出了最佳的解決方案。上海到崇明的隧橋工程，隧道盾構(gòu)直徑達15米，大型工程會遇到很多難題，工程技術(shù)人員只要在超級計算機上建立三維模型，模擬整個隧道掘進過程，就可以幫助施工人員強化控制施工過程和各種風險。”

助力基礎科研

上海超級計算中心主任周曦民自豪地表示，上海超級計算中心90%以上的資源用于支持973、863、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金等多種科研計劃，促進了基礎科學的創(chuàng)新研究，催生了大量具有國際影響力的科研成果。

中國科學院上海應用物理研究所高嶷研究員團隊通過建立一個新型理論模型，有效模擬了水汽環(huán)境對金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)形貌的影響。研究顯示，環(huán)境溫度與水汽壓強能夠顯著改變金屬納米顆粒的形貌結(jié)構(gòu)。過去水環(huán)境對于固體納米材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響沒有得到足夠的重視，現(xiàn)在借助于自主開發(fā)的多尺度模型和計算機模擬，可以成功觀察到銅納米顆粒在不同水汽環(huán)境中的穩(wěn)定構(gòu)型。同時，還可以對水汽環(huán)境中金、鉑、鈀等常用納米催化劑的形貌進行構(gòu)建。

這一工作不僅對納米催化以及納米材料學領域的實驗學家能起到很好的理論指引作用，有助于人們正確認識水-固相互作用，同時為進一步研究介觀尺度上外界環(huán)境對固體材料的影響提供了一個簡單但有效的理論模型。

抗凍蛋白是生活在寒冷區(qū)域的生物經(jīng)過長期自然選擇進化產(chǎn)生的一類用于防止生物體內(nèi)結(jié)冰而導致生物體死亡的功能性蛋白質(zhì)。對于抗凍蛋白抗凍機制的研究有助于揭開冰晶成核、生長和冰晶形貌調(diào)控的分子層面的機理。因而，自上世紀60年代首次發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白以來，科研人員對這類蛋白的抗凍機制進行了近半個世紀的研究。但是，科研人員對抗凍蛋白在調(diào)控冰晶成核的機制一直有爭議，即有些科研人員認為抗凍蛋白能促進冰核的形成，而另一些科研人員認為抗凍蛋白可以抑制冰核的生成。

中國科學院上海應用物理所方海平研究員與合作者根據(jù)抗凍蛋白的冰結(jié)合面（ice-binding face）和非冰結(jié)合面 （non-ice-binding face）具有截然不同官能團的特性，將抗凍蛋白定向固定于固體基底，選擇性地研究了抗凍蛋白冰結(jié)合面與非冰結(jié)合面對冰核形成的影響。研究表明抗凍蛋白的不同面對冰核的形成表現(xiàn)出完全相反的效應：冰結(jié)合面促進冰晶成核，而非冰結(jié)合面抑制冰晶成核。

研究員們還通過分子動力學模擬，進一步研究了抗凍蛋白的冰結(jié)合面和非冰結(jié)合面界面水的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了冰結(jié)合面上羥基和甲基有序間隔排列使得冰結(jié)合面上形成類冰水合層，從而促進冰核生成；而非冰結(jié)合面上存在的帶電荷側(cè)鏈及疏水性側(cè)鏈，使得非冰結(jié)合面上的界面水無序，從而抑制冰核形成。從而揭示了抗凍蛋白對冰成核“Janus”效應分子層面的機制。

這項研究大大加深了人們對抗凍蛋白分子層面防凍機制的理解，同時對仿生合成防覆冰材料和低溫器官保存材料有著重要的指導意義。

周曦民主任感慨，上海超級計算中心成立十幾年來，總投入不過6億元人民幣，有力地支撐了基礎科學和工業(yè)工程領域的原始創(chuàng)新，促進了重大成果的產(chǎn)出和關鍵問題的解決。但計算資源不足的“短板”制約了超算中心的發(fā)展，要力爭將“E”級機落戶到上海，這才能進一步夯實張江國家科學中心的地基。